Современное состояние механики бетона в России и за рубежом. Часть 1

  Прогресс в области бетонных и железобетонных конструкций невозможен без развития науки о бетоне и родственных композиционных строительных материалах. Механика бетона до середины 60-х годов XX века находилась на уровне эмпирических или полуэмпирических соотношений, связывающих компоненты напряженного и деформированного состояний в осредненных макрообъемах. Однако чисто эмпирический путь поиска новых составов бетона, позволяющий повысить его прочность, весьма трудоемок и не всегда приводит к цели. Еще труднее чисто эмпирическим путем подойти к решению актуальнейшей задачи современной науки о материалах – прогнозированию механических характеристик материала и созданию материалов с заранее заданными (хотя бы в некоторых пределах) свойствами. Для создания более надежных моделей деформирования и разрушения, для целенаправленного конструирования или отбора материала, более аргументированной оценки показателей долговечности и остаточной прочности требуется развитие механики бетона как самостоятельного раздела строительной механики.
   Для объяснения процесса разрушения бетона и подобных ему композиционных строительных материалов было предложено много теорий, которые условно можно разделить на три направления: феноменологическое, статистическое и структурное.
   Феноменологическое направление
   Теории, входящие в это направление, рассматривают разрушение как мгновенный процесс, тождественный нарушению сплошности материала. Разрушение обычно связывается с достижением предельного значения той или иной величины, выбираемой в качестве критерия прочности бетона или другого композиционного строительного материала. Основы современной феноменологической теории прочности бетона при объемном напряженном состоянии были сформулированы А.А.Гвоздевым (1891–1986). На основе анализа многочисленных экспериментальных данных он изложил основные требования к предельной поверхности, построенной в пространстве, где координатами служат величины главных напряжений. В частности, предельная поверхность должна расширяться при таких значениях среднего напряжения, которые соответствуют значительному сжатию. Дальнейшее развитие феноменологических теорий шло в основном по пути отыскания уравнений, возможно более точно описывающих указанную предельную поверхность. Предельные поверхности, предлагаемые различными исследованиями, имеют самую разнообразную форму и О.Я.Берг (1915–1976) справедливо указывал, что это свидетельствует об отдаленности математических представлений, развитых для изотропного упругого тела, от физических явлений в столь сложном композиционном материале, каким является бетон. В целом феноменологические теории с их абстрактными математическими связями, где основные параметры вычисляются по результатам экспериментов при сложных напряженных состояниях, дают удовлетворительное согласование вычислений с опытом, проведенным в аналогичных условиях. Однако физические причины, приводящие к разрушению, остаются невыясненными.
   Статистическое направление
   Теории этого направления являются в механике бетона и композиционных строительных материалов относительным шагом вперед по сравнению с феноменологическими. Наибольшее развитие они получили применительно к случаю идеального хрупкого разрушения. Согласно этим теориям предполагается существование непрерывной изотропной среды, в которой распределены отдельные дефекты структуры, подчиняющиеся статистическим законам, определяющие действительную прочность материала. Фактическая прочность отдельных участков образца не является постоянной величиной, а характеризуется определенной кривой распределения. При росте внешней нагрузки на отдельных малых участках преодолевается предел их прочности, в образце возникают мельчайшие трещины, которые пока еще не приводят к разрушению образца. Прочность будет исчерпана после достижения определенного объема накопленных микроразрушений. Статистические теории чаще всего отвлекаются от взаимодействия первичных элементов и исходят из того, что прочность тела целиком определяется прочностью наиболее слабого первичного элемента (теория «слабого звена»). Они, как правило, не рассматривают реальной структуры материала и связанных с этим особенностей напряженного состояния: концентрации напряжений около пор и зерен заполнителя, возможности начальных нарушений контакта между заполнителем и цементным камнем. Хотя применимость в существующем виде статистических теорий к бетону представляется довольно ограниченной, отдельные направления статистических теорий, например, подход к разрушению материала как случайному процессу накопления повреждений, особенно в сочетании с методами механики разрушения (см. ниже), заслуживают пристального внимания. Большой вклад в это направление механики бетона и других композиционных материалов внес В.В.Болотин (род. 1926 г.).
   Структурное направление
   Теории структурного направления глубже проникают в структуру материала. Одними из первых здесь явились работы Б.Г.Скрамтаева (1905–1966). Он подчеркнул ведущую роль цементного камня в создании прочности бетона и показал, что даже при малых значениях водоцементного отношения (В/Ц) цементный камень представляет собой материал, прочность которого определяется пористостью. Более того, именно в этой области (малых В/Ц) кривые зависимости прочности от пористости имеют наиболее крутой подъем. Для цементного камня характерны многочисленные очаги концентрации напряжений около отверстий (пор), существенно снижающие прочность; в отличие от пластичных материалов, сильная концентрация напряжений у пор цементного камня, являющегося хрупким материалом, сохраняется вплоть до разрушения. Более детальный анализ (методами теории упругости) напряженного состояния вблизи большой поры и сопутствующих ей малых пор в изотропном гомогенном материале, проведенный Давином (Франция), выявил, что вблизи малых неоднородностей, расположенных очень близко к большим неоднородностям, резко увеличиваются локальные напряжения. К.А. Мальцов, развивая известное из теории упругости решение Нейбера, показал, что концентрация напряжений у пор эллиптического очертания может быть в 10–20 раз большей, чем у шаровой поры, и что зоной, где в первую очередь должны образоваться «силовые» трещины, могут служить несплошности в бетоне в виде пор, включений, сидементационных полостей и т.д. Более детально влияние включений (зерен заполнителя) на образование первых микроразрушений исследовано методами теории упругости в серии работ О.Я. Берга,
   Е.Н. Щербакова, Н.Г. Хубовой, а также в серии работ американских исследователей.
   Структурные теории довольно глубоко анализируют физическую сущность поведения материала под нагрузкой, но вместе с тем обычно рассматривают изолированные поры (включения) и не учитывают эффект их взаимодействия, который может привести к значительному изменению концентрации напряжений. Статистический характер распределения пор (включений) по объему тела в целом при этом также, как правило, не принимается во внимание. Далее, структурные теории практически ограничиваются определением напряжений, приводящих к образованию первых трещин; весь процесс разрушения бетона, состоящий в постепенном накоплении, повреждении и развитии трещин, выпадает из поля зрения.
   Анализ существующего состояния различных направлений теории деформирования и прочности бетона показывает, что необходимо искать принципиально новые пути развития механики бетона. Именно поэтому за последние четверть века в России и во всем мире активно проводятся исследования с привлечением методов быстро развивающейся области науки – механики разрушения. Исследования последних десятилетий показали, что дефекты – причина большинства разрушений – неизбежны в любых материалах и конструкциях. Дефекты появляются еще на стадии изготовления исходных материалов, в ходе их последующей обработки, под воздействием нагрузок или внешней среды. «Жизнь» дефектов – по существу, «жизнь» самого материала. В результате этих исследований и зародилась фундаментальная наука о «болезнях» материалов и конструкций – механика разрушения. Она появилась на стыке ряда классических дисциплин, прежде всего механики и физики твердого тела, физической химии.
   Механику разрушения обычно определяют как раздел механики твердого деформируемого тела, занимающийся изучением тех условий, при которых в теле развивается трещина или система трещин. До последнего времени методы механики разрушения чаще всего ограничивались случаями однородных или условно-однородных материалов, т.е. теми случаями, когда трещина имеет размеры, на несколько порядков превышающие размер наибольшего структурного элемента этих материалов.
   Механика разрушения такого существенно неоднородного композиционного материала как бетон гораздо более сложна. Тем не менее, в последние годы в России и в других странах развернулись интенсивные исследования в этой области. При Международном союзе лабораторий по исследованию материалов и конструкций (РИЛЕМ) был создан комитет по механике разрушения бетона. В 1985 г. в Лозанне (Швейцария) была проведена международная конференция по механике разрушения бетона[1]. В 1998 г. российские специалисты собрались в Севастополе на 1-ю Всероссийскую конференцию по механике разрушения бетона и железобетона. Значительным событием в развитии механики разрушения стала состоявшаяся в сентябре 2000 г. в Мюнхене (ФРГ) Международная конференция «Materials Week» [2]. Наконец, на проводимой в феврале 2003 г. в Минске (Республика Беларусь) Международной конференции «Строительство и архитектура», также значительное место будет отведено вопросам механики разрушения.
   На прошедших конференциях давался анализ современного состояния механики бетона, отмечены существенные изменения, произошедшие за последние годы (главным образом, в связи с развитием вычислительной техники), сформулированы основные направления развития на перспективу, четко сформулирован новый подход к прочности бетона с позиций механики разрушения, рассмотрению которого посвящена 2 часть статьи.
  
   Библиографический список:
   1. Wittmann F.H. (Ed) Fracture Toughness and Fracture Energy of Concrete. Elsevier Science Publisher B.V./Amsterdam, 1986.
   2. Slowik V., de Barros Leite J.P., Zaytsev Yu.V. Meso-Level Modelling of Concrete Fracture by Using Particle and Truss Models. Materials Week, Proceedings (Munich, September 2000). Munich, 2000.